蜘蛛丝首次由转基因蚕吐出

中国科学家开发出一种用转基因蚕生产蜘蛛丝的方法，为合成纤维提供了一种强大且可持续的替代品，并在各个行业中得到应用。

研究人员用转基因蚕制造出蜘蛛丝，其强度比防弹背心中使用的凯夫拉纤维强六倍。 该研究发表于 9 月 20 日的期刊上 主题，是第一个利用蚕成功生产全长蜘蛛丝蛋白的人。 结果证明了一种技术可用于制造尼龙等合成商业纤维的环保替代品。

“蚕丝是目前唯一广泛商业化的动物丝纤维，采用成熟的育种技术，”梅说。 “因此，利用转基因蚕生产蜘蛛丝纤维可以实现低成本、大规模商业化。”

强制滚丝图片。 图片来源：梅俊鹏

蜘蛛丝的可持续性

科学家们正在将蜘蛛丝视为合成纤维的一种有吸引力的、可持续的替代品，合成纤维会向环境中释放有害的微塑料，并且通常是由产生温室气体排放的化石燃料生产的。 但向大自然寻求替代品并非没有挑战。 先前开发的纺制合成蜘蛛丝的工艺一直难以在丝上涂上糖蛋白和脂质的表面层，以帮助其抵御潮湿和阳光照射——蜘蛛将其涂在网上的抗衰老“皮肤层”。

梅说，转基因蚕为这个问题提供了一个解决方案，因为蚕用类似的保护层覆盖其纤维。

“蜘蛛丝是一种急需开发的战略资源，”该研究的第一作者、东华大学生物科学与医学工程学院博士生梅俊平说。 “这项研究中生产的纤维具有极高的机械性能，在该领域具有广阔的前景。这种纤维可用作手术缝合线，以满足全球每年超过 3 亿例外科手术的需求。

梅说，蜘蛛丝纤维还可以用来制造更舒适的衣服和创新类型的防弹背心，并且可能在智能材料、军事、航空航天技术和生物医学工程方面有应用。

由转基因蚕生产的丝纤维。 图片来源：梅俊鹏

合成过程和挑战

为了从蚕中纺出蜘蛛丝，梅和他的团队将蜘蛛丝蛋白基因插入细胞中 脱氧核糖核酸 结合 CRISPR-Cas9 基因编辑技术和数十万次显微注射到受精蚕卵中，从蚕体内表达。 梅说，ICSI 在这项研究中提出了“最重要的挑战之一”，但当他在荧光显微镜下看到蚕的眼睛发出红光时（这是基因编辑成功的标志），他感到很兴奋。

“我跳着舞，几乎是跑到孟庆教授的办公室分享这个结果，”梅说。 “我清楚地记得那天晚上，兴奋让我彻夜难眠。”

研究人员还需要对基因工程蜘蛛丝蛋白进行“定位”修改，以便它们与蚕腺中的蛋白质正确相互作用，确保纤维正确纺丝。 为了指导修改，该团队开发了蚕丝的“微型基本结构模型”。

“本文引入的‘本地化’概念，以及提出的简单结构模型，代表了与之前研究的重大背离，”Mee 说。 “我们相信大规模商业化即将到来。”

前景

未来，梅计划利用当前研究中开发的蜘蛛丝纤维的耐用性和强度的见解来开发转基因蚕，用天然和工程材料生产蜘蛛丝纤维。 氨基酸。

“一百多种工程氨基酸的引入为工程蜘蛛丝纤维带来了无限的潜力，”梅说。

参考文献：米俊鹏、周一中、马三元、周兴平、徐守英、杨雨辰、孙元、夏庆友、朱红年、王素阳《转基因蚕纺高强超韧全蜘蛛丝纤维》 ，田洛阳、孟程，2023 年 9 月 20 日， 主题。
doi：10.1016/j.matt.2023.08.013

该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委重点项目、上海市科委国际合作项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。